燕山大學劉日平院士團隊最新研究登頂Nature！

結構材料長期面臨一個根本性矛盾：強度與韌性往往不可兼得。金屬材料雖然韌性好，但強度偏低且高溫穩定性差；而陶瓷材料雖然強度高、耐高溫，卻天生脆性大，容易發生災難性斷裂。如何在一種材料中同時實現陶瓷般的高強度、金屬般的高韌性以及優異的熱穩定性，是材料科學領域長期未能突破的經典難題，也嚴重制約了航空航天、國防和能源等關鍵領域對極端環境用材的需求。

2026年4月22日，燕山大學劉日平院士團隊（通訊作者還包括馮士東、劉迎丹、王利民）在《自然》（Nature）期刊上發表題為“Ceramic-like strength and metallic toughness in a bulk metallic glass”的研究論文。該團隊成功研制出一種新型錸（Re）基塊體金屬玻璃（BMG），一舉打破了強度與韌性之間的傳統對立關系，為極端環境結構材料的設計開辟了新路徑。

研究團隊基于熱力學驅動的設計策略，以“熔化熵”為關鍵指導參數，在Re-Co-Ta-B四元體系中篩選出具有低熔化熵的Re??B??、CoB和Co??.?Ta??.?三個二元相，通過成分優化與銅模吸鑄技術，成功制備出直徑達4毫米、完全非晶態的Re??.?Co??.?Ta?.?B??.?（簡稱Re1）合金。該合金展現出驚人的力學性能：室溫壓縮強度高達6.43 GPa，同時斷裂韌性保持在30 MPa·m1/2左右。在經典的強度-韌性Ashby圖中，這一組合占據了一個此前完全空白的區域——其強度超越所有已知塊體金屬玻璃和晶態金屬，接近先進結構陶瓷，而韌性則遠超后者。更令人矚目的是，該合金在900 K高溫下仍能保持4.4 GPa的斷裂強度，并表現出優異的抗氧化、耐硫酸腐蝕、低熱膨脹（8.9×10?? K?1）和極低磨損率（1.7×10?? mm3/(N·m)），綜合性能遠超現有高溫合金和高熵合金。

為揭示這種反常性能的微觀起源，團隊綜合運用了球差校正透射電鏡、同步輻射高能X射線散射和第一性原理計算。結果發現，該金屬玻璃并非傳統認為的“無序密堆”，而是從低熔化熵的晶態前驅體（尤其是Re?B?相）中“遺傳”了大量類似晶體的短程有序結構。具體而言，Re與B原子之間形成強烈的方向性共價鍵（Re 5d – B 2p軌道雜化），這些剛性共價鍵團簇均勻嵌入在相對柔性的金屬基體中，構成了一個既能抵抗屈服（提供高強度）、又能阻礙裂紋擴展（保持高韌性）的獨特原子骨架。這種“共價鍵+金屬鍵”的混合鍵合模式，從根本上架起了陶瓷與金屬力學行為之間的橋梁。該工作不僅刷新了塊體金屬玻璃的力學性能記錄，更驗證了“結構遺傳性”作為一種普適原則，可用于理性設計下一代兼具極端強度和極端韌性的非晶材料。

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